Antennes gap plasmon : une source de plasmon polariton de surface

Opening-gap plasmonic antennas : a surface plasmon polariton source

• Auteur / Autrice : Cam Nhung Vu
• Direction : Julien Laverdant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/11/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Natalia Del Fatti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Laverdant, Alexandre Bouhelier, Alberto Bramati, Emmanuelle Deleporte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Bouhelier, Alberto Bramati

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules d'or

Résonance plasmonique de surface

Plasmons

Polaritons

Mots clés libres

Plasmonique

Bipyramid nanoparticules

Polaritons de plasmon de surface

Nanoantennes

Plasmonic

Bipyramid nanoparticles

Surface plasmon polaritons

Nanoantennas

Résumé

Les antennes nanopatch basées sur une configuration de nanoparticules métalliques sur miroir offrent de grands avantages en tant que source potentielle pour lancer des polaritons de plasmon de surface (SPP). Dans ce travail, nous proposons une plateforme plasmonique constituée de nanoparticules en fame de bipyramide d’or (AuBP) déposées sur un film mince d’or. Une couche de TiO2 inférieure à 10 nm est introduite entre les deux structures métalliques pour empêcher le contact conducteur. Les AuBPs synthétisées ont la capacité de supporter une forte résonance plasmonique de surface localisée le long de son axe longitudinal qui se comporte comme un dipôle rayonnant. Lorsque les nanoparticules sont amenées à interagir avec le miroir d’or, chaque AuBP ressemble à une antenne nanopatch à l’échelle nanométrique avec une ”ouverture”, qui permet de lancer efficacement des SPP sur la surface métallique autour de la bipyramide. Dans nos expériences, nous utilisons un microscope à fruites radiatives fonctionnant dans la configuration de fond noir pour étudier la diffusion de l’antenne et également exciter et collecter les SPP. Ici, nous soulignons l’importance de l’effet d’orientation dans la réponse optique des AuBPs. Une structure de mode riche allant du régime visible au proche infrarouge apparait en inclinant l’AuBP quand la pointe touche le substrat, tandis que d’autres orientations n’affichent qu’un seul mode longitudinal dipolaire. Les modes de plasmon présentent à la fois une nature radiative et sont confinés dans l’espace. Le calcul COMSOL a confirmé que le mode gap plasmon se comporte de mani`ere similaire aux résonances de Fabry-Pérot. Enfin, le nanopatch bipyramide est utilisé pour exciter optiquement les SPP, montrant que l’efficacité du lancement des SPP est améliorée à la longueur d’onde de résonance du mode. En particulier, en comparaison avec le plasmon généré par diffusion à partir d’une nanoparticule de billes diélectriques de silice sur le même substrat d’or, le nanopatch bipyramide induit une plus grande efficacité des SPP d’environ 1 ordre de grandeur. Ces caractéristiques du nanopatch AuBP peuvent ouvrir la voie à des antennes à plasmon à commande électrique, pour lesquelles de nombreuses applications telles que la récupération d’énergie ou l’information quantique, sont bénéfiques.

Nanopatch antennas based on metallic nanoparticles-on-mirror configuration offer great ad-vantages as a potential source for launching surface plasmon polaritons (SPPs). In this work, we propose a plasmonic platform consisting of gold bipyramid nanoparticles (AuBPs) deposited over a gold thin film. A sub-10nm TiO2 gap is introduced between the two metallic structures to prevent conductive contact. The synthesized AuBPs have the ability to support a strong localized surface plasmon resonance along its longitudinal axis which behaves like a radiating dipole. When the nanoparticles are brought to interact with the gold mirror, each AuBP resembles a nanoscale nanopatch antenna with an “opening-mouth”, which allows for effectively launching SPPs over the metallic surface around the bipyramid. In the terms of the experiment, we employ a leakage radiation microscope working in the dark-field config-uration to study the scattering of the antenna and also excite and collect the SPPs. Here, we highlight the importance of the orientation effect in the optical response of the AuBPs. A rich mode structure ranging from the visible to the near-infrared regime is opened by tilting AuBP with one tip touching the substrate, whereas other orientations only display a single dipolar longitudinal mode. The plasmon modes exhibit both radiative nature and are confined within the gap. The COMSOL calculation confirmed that the plasmon gap mode behaves similarly to the Fabry-P´erot resonances. Finally, the bipyramid nanopatch is em-ployed to optically excite SPPs, showing that the efficiency of launching SPPs is resonantly enhanced at the plasmon resonance wavelength of the mode. Especially, in the comparison to the plasmon generated by scattering from a dielectric bead nanoparticle of silica on the same gold substrate, the bipyramid nanopatch induces a greater SPPs efficiency by around 1 order of magnitude. These characteristics of the AuBP nanopatch can pave the way for electrically driven plasmon antennas, for which many applications such as energy harvesting or quantum information, are beneficial.